海豚的故事:研究人员如何为一头宽吻海豚装上假尾

一只名叫温特的宽吻海豚因蟹笼失去了尾巴。因此科学家为她制造了一条新的尾巴

2005年12月,当宽吻海豚温特只有几个月大的时候,她和母亲在中佛罗里达州大西洋沿岸的蚊子泻湖中游泳。不知何故,她被困在了一个蟹笼里。一位眼尖的渔民发现了她挣扎的样子,并呼叫了野生动物救援队。志愿者们小心翼翼地将海豚放在担架上,将她抬出水面,开车跨越整个州到达清水湾海洋馆。

当她到达时,情况很糟糕——精疲力竭、脱水,身上还有许多割伤和擦伤。她几乎无法游泳,训练员和她一起站在水箱里,用手托起她小小的身体。没有人知道她是否能熬过这一晚。但她是一个幸存者,熬过了第一个晚上和接下来的一个晚上。

慢慢地,通过瓶子喂养和昼夜不停的护理,团队将这头幼崽护理回了健康。然而,当温特开始稳定下来时,其他问题出现了。蟹笼上的一根绳子紧紧地缠绕在她的尾巴上,切断了血液循环。组织坏死了:海豚的皮肤开始脱落,尾巴本身也开始腐烂。有一天,温特的看护人在她的水池底部发现了她的两节椎骨。温特正在恢复体力,但她的尾巴显然是保不住了。


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尽管她自己不知道,但在某种程度上,温特是幸运的——她出生在 21 世纪,对于动物来说,现在是失去身体部位的最佳时期。从碳纤维复合材料到柔性、可变形塑料等各种材料使我们有可能为飞行、小跑或游泳的患者设计人造肢体,并且假肢专家已经成功地为老鹰制造了新的喙,为海龟制造了替换龟壳,为袋鼠制造了假脚。

附着在动物身上的传感器和标签可以通过为保护策略提供信息来帮助拯救整个物种,而人造尾巴和爪子则代表了另一个极端:为不幸的个体提供(有时是字面意义上的)帮助。假肢设备并非适用于每一种动物——事实上,假肢专家面临的挑战之一是确定最符合与我们自己的身体截然不同的身体的利益的做法——但是,当我们做得正确时,我们定制设计和单独工程设计的设备正在帮助我们一次帮助一只动物、一条生命和一个肢体。

束手无策

清水湾海洋馆位于佛罗里达州墨西哥湾沿岸的一个小岛上。从主大厅到露天平台有几级台阶,在那里,两只海豚在一个大型水箱中嬉戏。很容易就能认出温特——她没有长而完整的尾巴,而是一个小小的卷曲的残肢,像逗号一样挂在她的躯干上。

即使尾巴缩短了,温特在水中看起来也很自在,像其他鲸类动物一样滑行和玩耍。她通过采用一些不寻常的游泳技巧来适应她独特的身体。海豚通常使用胸鳍来保持平衡,但温特“作弊”并像小桨一样使用胸鳍。而且,由于没有通常装饰在海豚尾巴末端的尾叶,温特缺乏海豚正常的推进系统。因此,她自学了像鱼一样游泳,身体从一侧到另一侧移动,而不是像海豚通常那样上下移动。不幸的是,这种鱼状的游泳姿势给温特的脊柱带来了异常的压力,导致脊柱不自然地弯曲。

在海豚获救后的几个月里,她的看护人开始担心她奇怪的游泳方式会造成永久性损伤。2006 年 9 月,一位水族馆官员在美国国家公共广播电台的一次采访中提到了这种担忧,当时该电台正在播放一个关于温特的节目。一位名叫凯文·卡罗尔的假肢专家在开车去奥兰多办公室的路上碰巧听到了该广播。当他听到温特的故事时,他想:“我可以给那只海豚装上尾巴。”

卡罗尔在一个爱尔兰小镇的一家医院附近长大,在那里,看到患病和受伤的孩子来来往往激发了他对修复人体的兴趣。如今,卡罗尔是总部位于德克萨斯州奥斯汀市的汉格公司的副总裁,也是世界领先的假肢专家之一。偶尔,会有人带着一只三条腿的狗或一只没有喙的鸟走进他的诊所,请求他的帮助。作为一名动物爱好者,卡罗尔发现自己无法拒绝捐出周末时间来帮助动物。多年来,他与汉格公司的同事合作,为各种各样的动物制作假肢:狗、鸭子、海龟,“任何来到我们面前的动物,”他说。“我有点成了假肢界的杜立德医生。”

当水族馆同意让卡罗尔尝试制作海豚假尾时,他开始招募他的团队。他知道他想要谁作为合作伙伴:丹·斯特泽普卡,汉格公司佛罗里达州萨拉索塔办事处的一位假肢专家。斯特泽普卡在四岁时被割草机碾过,此后一直佩戴假肢,他是一位佛罗里达州本地人,对海洋及其生物充满热情。

卡罗尔和斯特泽普卡同意在水族馆与我会面,并向我介绍他们如何完成这项任务。他们是一对奇怪的组合:卡罗尔身材矮小,头顶光秃,留着白色胡须;斯特泽普卡身材高大、皮肤黝黑、体格健壮。当我们到达海豚水箱时,斯特泽普卡靠在栏杆上,呼唤温特:“嘿,女孩!你好吗,伙计?” “早上好!”卡罗尔用他的爱尔兰口音向她喊道。

在过去的五年里,这两个男人花了无数个小时站在这里,在这个水箱旁边。温特与他们以前治疗过的任何其他患者都不同,因此首要任务是了解她的身体。卡罗尔和斯特泽普卡开始速成学习海豚知识,阅读关于海豚的解剖学和生理学的资料,并观看鲸类动物游泳的慢动作视频,以了解它们的生物力学。尽管动物假肢专家可以借鉴人类医学,但成功通常需要一定程度的独创性;知道如何为人类截肢者制作腿不会让你在想为大象更换缺失的脚或为狗安装假爪时走得太远。因此,假肢专家经常对每一种动物肢体进行“临时改造”,定制设计并单独工程设计。

在温特的案例中,基本计划似乎很容易——卡罗尔和斯特泽普卡决定制造一条塑料尾巴,套在温特的尾柄残余部分上,尾柄是海豚身体后半部分的肌肉,通常从背鳍延伸到尾叶。他们意识到,挑战将是弄清楚如何保持假肢的固定。温特在游泳时会在尾巴上施加难以置信的力量,但她不会像人类用假肢腿那样将整个身体的重量压在尾巴上。“水,”斯特泽普卡提醒我,“是完全不同的环境。” 更重要的是,海豚的皮肤光滑、敏感、娇嫩——而且非常容易受伤。

人类截肢者通常使用柔软的衬垫来缓冲他们的残肢并保护他们的皮肤,卡罗尔和斯特泽普卡认为温特也需要类似的东西。标准的人类衬垫是不行的——对于温特来说,他们必须创造一种全新的材料,这种材料要足够柔软以保护她的皮肤,足够粘稠以保持在光滑的表面上,并且足够坚固以承受在充满盐水的水箱中的日常使用和磨损。

他们请一位化学工程师帮忙,这位工程师修改了人类假肢中常见的凝胶衬垫的配方,试图创造出更适合海豚的版本。他制作的最初几个原型很有希望,但它们的性能不稳定,并且发生了一些戏剧性的失败,包括一场烧毁仓库的火灾。(“那是一个小仓库,”斯特泽普卡向我保证。)最终,这位工程师成功了。

“这是一种不可思议的材料,”卡罗尔说,当我们坐在水族馆的训练员办公室里时。他递给我一叠橡胶状凝胶,它是白色的,颤巍巍的,摸起来有点粘。它看起来很像超大块的鱿鱼圈。从技术上讲,这种材料是一种热塑性弹性体——一种塑料混合物,它最初是液体,加热后可以模制成各种形状——但每个人都称它为“海豚凝胶”。为了展示它的特性,卡罗尔拿起一条两英尺长的凝胶条,将另一端递给斯特泽普卡。他开始向后走。两英尺、五英尺、十英尺——这种材料一直在拉伸。最后,卡罗尔松手了。他那端嗖地一声弹回房间。斯特泽普卡举起凝胶;它看起来完好如新,既没有膨胀也没有变形。这两个男人喜笑颜开,我感觉这似乎是一场精心排练的特技表演。这种凝胶还提供了严重的缓冲,卡罗尔通过用衬垫包裹他的手并用重锤猛烈敲击来演示这一点,然后咧嘴一笑,拿出他毫发无损的手。

继续游泳

温特现在是一位老手了,她很乐意佩戴一个全尺寸的、解剖学上正确的假尾。为了戴上这个装置,一位训练员站在悬挂在温特水箱中的平台上。随着一声迅速的命令,温特进入位置,将她的头朝下指向水池底部,并将她的尾柄抬出水面。一位训练员将一个由海豚凝胶制成的套筒卷到温特的残肢上。然后是假肢本身,这是卡罗尔和斯特泽普卡在拍摄了一系列温特身体的三维图像和扫描图后精心制作的。假肢有一个柔性的、橡胶化的塑料“套筒”,套在凝胶衬垫上,紧紧地抱住海豚的尾柄残余部分。套筒逐渐变细成一条细长的碳纤维条,这条碳纤维条用螺栓固定在一对假尾叶上。吸力使整个装置保持在原位。

尽管该装置是仿照海豚的天然尾巴制作的,但它是由各种非天然材料制成的,温特在佩戴它时必须受到监督。温特的看护人需要确保尾巴不会突然开始滑落,或者卡在水池中的东西上。因此,温特不会一直佩戴尾巴。相反,它保留用于她的日常治疗课程,在这些课程中,训练员带领佩戴假肢的海豚进行一系列旨在增强她的肌肉和加强正确游泳姿势的训练。人造尾巴有助于保持温特的脊柱处于正确的对齐位置,佩戴上它后,温特确实会上下摆动她的尾巴,而不是左右摆动。“看到她带着它游泳真是太美好了,”卡罗尔说。自从温特开始佩戴该装置以来,她的脊柱侧弯有所改善,卡罗尔希望假肢加上有规律的治疗将有助于这只海豚过上长寿、健康的生活。

尽管她取得了进步,但温特将在水族馆中度过余生;一只没有尾巴或装有人造尾巴的海豚不是在野外生存的好选择。没有人知道她的假肢能否经受住多年的持续使用。而且温特将需要持续接触训练员来加强正确的游泳姿势,并需要医生来监测她的脊柱对齐情况。卡罗尔和斯特泽普卡仍在每年为温特制作几个新的尾巴,温特还没有达到她的完全成年体型,他们会随着她身体的变化而调整设计。他们还梦想着对假肢进行更显著的改进。斯特泽普卡很想弄清楚如何结合一种真空装置,在温特上下移动尾巴时抽出尾巴中的空气。结果将是更紧密的密封和自我调节的假肢。

温特的尾巴为她赢得了明星地位。有关于她的书籍、视频游戏和纪录片,2011 年,华纳兄弟公司发行了根据她的故事改编的 3D 电影《海豚的故事》。(卡罗尔称之为“疯狂科学家角色”的假肢专家由摩根·弗里曼饰演。)水族馆的网站和礼品店里摆满了温特装备:T 恤衫、明信片、磁铁和也缺少尾巴的玩具海豚。

但温特已经不仅仅是一个强大的营销工具——她也成为了假肢的形象大使。装有假肢手臂和腿的孩子经常参观水族馆,许多人被邀请进入水箱与温特互动。卡罗尔告诉我,这种相遇可以对孩子们的心理产生奇迹般的效果。

温特也以更具体的方式帮助了人类截肢者。随着所谓的“海豚凝胶”的传播,假肢专家开始为他们的人类患者订购它。这种材料比人们常用的衬垫更能抓住皮肤,已被证明对截肢运动员特别有用,他们的替换肢体在出汗时会开始滑落。斯特泽普卡是一位狂热的高尔夫球手,他第一次在自己的假肢腿上尝试这种凝胶时就成了它的拥趸。“粘性是一个巨大的好处,尤其是在佛罗里达州,”他说。“如果你每天打 36 洞高尔夫球,你的皮肤就会变得像海豚一样——光滑。” 汉格公司很快就开始向从经验丰富的三项全能运动员到 11 岁女孩的每个人销售“温特凝胶”衬垫。“动物回馈给我们的太多了,”卡罗尔说。“我们从与它们合作中学到了很多东西。”

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